Barrera de Schottky

Una barrera Schottky , que lleva el nombre de Walter H. Schottky , es una barrera de energía potencial para electrones formada en una unión metal-semiconductor . Las barreras Schottky tienen características rectificadoras , aptas para su uso como diodo . Una de las características principales de una barrera Schottky es la altura de la barrera Schottky, denotada por Φ _B (ver figura). El valor de Φ _B depende de la combinación de metal y semiconductor. ^[1]^[2]

No todas las uniones metal-semiconductores forman una barrera Schottky rectificadora; Una unión metal-semiconductor que conduce corriente en ambas direcciones sin rectificación, quizás debido a que su barrera Schottky es demasiado baja, se llama contacto óhmico .

Física de la formación.

Cuando un metal se pone en contacto directo con un semiconductor, se puede formar la llamada barrera Schottky, lo que provoca un comportamiento rectificador del contacto eléctrico. Esto sucede tanto cuando el semiconductor es de tipo n y su función de trabajo es menor que la función de trabajo del metal, como cuando el semiconductor es de tipo p y se cumple la relación opuesta entre las funciones de trabajo. ^[3]

En la base de la descripción de la formación de la barrera Schottky a través del formalismo del diagrama de bandas , existen tres supuestos principales: ^[4]

El contacto entre el metal y el semiconductor debe ser íntimo y sin presencia de ninguna otra capa de material (como por ejemplo un óxido).
No se tiene en cuenta la interdifusión del metal y el semiconductor.
No hay impurezas en la interfaz entre los dos materiales.

En una primera aproximación, la regla de Schottky-Mott predice que la barrera entre un metal y un semiconductor es proporcional a la diferencia de la función de trabajo del vacío del metal y la afinidad electrónica del vacío del semiconductor . Para un metal aislado, la función de trabajo se define como la diferencia entre su energía de vacío (es decir, la energía mínima que debe poseer un electrón para liberarse completamente del material) y la energía de Fermi , y es una propiedad invariante del metal especificado. : $\Phi _ {M}$ ${\ Displaystyle E_ {0}}$ ${\ Displaystyle E_ {F}}$

$\Phi _{M}=E_{0}-E_{F}$

Por otra parte, la función de trabajo de un semiconductor se define como:

$\Phi _{S}=\chi +(E_{C}-E_{F})$

¿Dónde está la afinidad electrónica (es decir, la diferencia entre la energía del vacío y el nivel de energía de la banda de conducción )? Es valioso describir la función de trabajo del semiconductor en términos de su afinidad electrónica ya que esta última es una propiedad fundamental invariante del semiconductor, mientras que la diferencia entre la banda de conducción y la energía de Fermi depende del dopaje . ${\displaystyle\chi}$

Diagramas de bandas de metales y semiconductores cuando están separados (arriba) y cuando están en íntimo contacto (abajo)

Cuando los dos materiales aislados se ponen en íntimo contacto, la igualación de los niveles de Fermi provoca el movimiento de carga de un material al otro, ^{[ se necesita aclaración ]} dependiendo de los valores de las funciones de trabajo. Esto conduce a la creación de una barrera energética, ya que en la interfaz entre los materiales se acumula alguna carga. Para los electrones, la altura de la barrera se puede calcular fácilmente como la diferencia entre la función de trabajo del metal y la afinidad electrónica del semiconductor: $\Phi _ {B_ {n}}$

$\Phi _{B_{n}}=\Phi _{M}-\chi$

Mientras que la altura de la barrera para los agujeros es igual a la diferencia entre la brecha de energía del semiconductor y la barrera de energía para los electrones:

$\Phi _{B_{p}}=E_{\text{gap}}-\Phi _{B_{n}}$

En realidad, lo que puede suceder es que los estados de interfaz cargados puedan fijar el nivel de Fermi en un cierto valor de energía sin importar los valores de la función de trabajo, lo que influye en la altura de la barrera para ambos portadores. Esto se debe a que la terminación química del cristal semiconductor contra un metal crea estados de electrones dentro de su banda prohibida . La naturaleza de estos estados de brecha inducidos por metales y su ocupación por electrones tiende a fijar el centro de la banda prohibida al nivel de Fermi, un efecto conocido como fijación del nivel de Fermi . Por lo tanto, las alturas de las barreras de Schottky en los contactos metal-semiconductores a menudo muestran poca dependencia del valor de las funciones del semiconductor o del trabajo del metal, en fuerte contraste con la regla de Schottky-Mott. ^[5] Diferentes semiconductores exhiben esta fijación del nivel de Fermi en diferentes grados, pero una consecuencia tecnológica es que los contactos óhmicos suelen ser difíciles de formar en semiconductores importantes como el silicio y el arseniuro de galio . Los contactos no óhmicos presentan una resistencia parásita al flujo de corriente que consume energía y reduce el rendimiento del dispositivo.

Propiedades rectificadoras

En una barrera Schottky rectificadora, la barrera es lo suficientemente alta como para que haya una región de agotamiento en el semiconductor, cerca de la interfaz. Esto le da a la barrera una alta resistencia cuando se le aplican pequeñas polarizaciones de voltaje. Bajo una polarización de voltaje grande, la corriente eléctrica que fluye a través de la barrera se rige esencialmente por las leyes de la emisión termoiónica , combinadas con el hecho de que la barrera Schottky está fija en relación con el nivel de Fermi del metal. ^[6]

Bajo polarización directa, hay muchos electrones excitados térmicamente en el semiconductor que pueden atravesar la barrera. El paso de estos electrones a través de la barrera (sin que ningún electrón regrese) corresponde a una corriente en sentido contrario. La corriente aumenta muy rápidamente con polarización; sin embargo, con polarizaciones altas, la resistencia en serie del semiconductor puede comenzar a limitar la corriente.
Bajo polarización inversa, hay una pequeña corriente de fuga ya que algunos electrones excitados térmicamente en el metal tienen suficiente energía para superar la barrera. En primera aproximación, esta corriente debería ser constante (como en la ecuación del diodo de Shockley ); sin embargo, la corriente aumenta gradualmente con polarización inversa debido a una débil reducción de la barrera (similar al efecto Schottky del vacío ). Con sesgos muy altos, la región de agotamiento se desmorona.

Nota: la discusión anterior es para una barrera Schottky para un semiconductor tipo n ; Se aplican consideraciones similares para un semiconductor tipo p .

La relación corriente-voltaje es cualitativamente la misma que con una unión pn , sin embargo el proceso físico es algo diferente. ^[7]

Valores de conducción

La emisión termoiónica se puede formular de la siguiente manera: ^{[ cita necesaria ]}

$J_{th}=A^{**}T^{2}e^{-{\frac {\Phi _{B_{n,p}}}{k_{b}T}}}{\ biggl (}e^{\frac {qV}{k_{b}T}}-1{\biggr )}$

Si bien la densidad de corriente de túnel se puede expresar, para una barrera de forma triangular (considerando la aproximación WKB ) como: ^{[ cita necesaria ]}

$J_{T_{n,p}}={\frac {q^{3}E^{2}}{16\pi ^{2}\hbar \Phi _{B_{n,p}}} }e^{\frac {-4\Phi _{B_{n,p}}^{3/2}{\sqrt {2m_{n,p}^{*}}}}{3q\hbar E}}$

De ambas fórmulas queda claro que las contribuciones actuales están relacionadas con la altura de la barrera tanto para los electrones como para los huecos. Si entonces se necesita un perfil de corriente simétrico para los portadores n y p, la altura de la barrera debe ser idealmente idéntica para electrones y huecos.

Inyección de portadores minoritarios

Para barreras Schottky muy altas donde Φ _B es una fracción significativa de la banda prohibida del semiconductor, la corriente de polarización directa puede, en cambio, transportarse "debajo" de la barrera Schottky, como portadores minoritarios en el semiconductor. ^[8]

Un ejemplo de esto lo vemos en el transistor de contacto puntual .

Dispositivos

Un diodo Schottky es una unión única de metal y semiconductor, que se utiliza por sus propiedades rectificadoras. Los diodos Schottky suelen ser el tipo de diodo más adecuado cuando se desea una baja caída de voltaje directo , como en una fuente de alimentación de CC de alta eficiencia . Además, debido a su mecanismo de conducción de portador mayoritario, los diodos Schottky pueden alcanzar mayores velocidades de conmutación que los diodos de unión p-n, lo que los hace apropiados para rectificar señales de alta frecuencia.

Al introducir una segunda interfaz semiconductor/metal y una pila de puertas que se superpone a ambas uniones, se puede obtener un transistor de efecto de campo de barrera Schottky (SB-FET). La puerta dirige la inyección de portador dentro del canal modulando la flexión de la banda en la interfaz y, por tanto, la resistencia de las barreras Schottky. Generalmente, el camino resistivo más significativo para la corriente está representado por las barreras Schottky, por lo que el canal en sí no contribuye significativamente a la conducción cuando el transistor está encendido. Este tipo de dispositivo tiene un comportamiento ambipolar ya que cuando se aplica un voltaje positivo a ambas uniones, su diagrama de bandas se dobla hacia abajo permitiendo que una corriente de electrones desde la fuente drene (la presencia de un voltaje siempre está implícita) debido a la tunelización directa . En el caso opuesto, en el que se aplica un voltaje negativo a ambas uniones, el diagrama de bandas se dobla hacia arriba y se pueden inyectar orificios que fluyen desde el drenaje hasta la fuente. Configurar el voltaje de la puerta en 0 V suprime la corriente de túnel y permite solo una corriente más baja debido a eventos termoiónicos . Una de las principales limitaciones de un dispositivo de este tipo está fuertemente relacionada con la presencia de esta corriente, que dificulta su apagado adecuado. Una clara ventaja de un dispositivo de este tipo es que no hay necesidad de dopar los canales y se pueden evitar costosos pasos tecnológicos como la implantación de iones y los recocidos a alta temperatura , manteniendo bajo el presupuesto térmico. Sin embargo, la flexión de la banda debido a la diferencia de voltaje entre el drenaje y la compuerta a menudo inyecta suficientes portadores para hacer imposible un apagado adecuado del dispositivo. Además, en este tipo de dispositivos son típicas las bajas corrientes de conexión debidas a la resistencia intrínseca de los contactos Schottky, así como una escalabilidad muy dura y poco fiable debido al difícil control de la zona de unión. $V_{DS}$

Diagramas de bandas de las operaciones SBFET. De izquierda a derecha: el voltaje negativo aplicado dobla el diagrama de bandas permitiendo una corriente de túnel del orificio (tipo p); sin ningún voltaje aplicado, solo se permite la emisión termoiónica para los portadores (fuera del estado); un voltaje de puerta positivo permite que los electrones hagan un túnel debido a la flexión de la banda hacia abajo (tipo n).

Circuito efectivo del transistor Schottky

Se conoce como transistor Schottky a un transistor de unión bipolar con una barrera Schottky entre la base y el colector . Debido a que el voltaje de unión de la barrera Schottky es pequeño, se evita que el transistor se sature, lo que mejora la velocidad cuando se usa como interruptor. Esta es la base de las familias Schottky y Advanced Schottky TTL , así como de sus variantes de bajo consumo .

Un MESFET o FET semiconductor de metal utiliza una barrera Schottky con polarización inversa para proporcionar una región de agotamiento que separa un canal conductor enterrado dentro del semiconductor (similar al JFET donde, en cambio, una unión p-n proporciona la región de agotamiento). Una variante de este dispositivo es el transistor de alta movilidad electrónica (HEMT), que también utiliza una heterounión para proporcionar un dispositivo con una conductancia extremadamente alta.

Un FET de nanotubos de carbono con barrera Schottky utiliza el contacto no ideal entre un metal y un nanotubo de carbono para formar una barrera Schottky que se puede utilizar para fabricar diodos Schottky, transistores y dispositivos electrónicos similares extremadamente pequeños con propiedades mecánicas y electrónicas únicas.

Las barreras Schottky también se pueden utilizar para caracterizar un semiconductor. En la región de agotamiento de la barrera Schottky, los dopantes permanecen ionizados y dan lugar a una "carga espacial" que a su vez da lugar a una capacitancia de la unión. La interfaz metal-semiconductor y el límite opuesto del área agotada actúan como dos placas de condensador, y la región agotada actúa como un dieléctrico . Al aplicar un voltaje a la unión, es posible variar el ancho de agotamiento y variar la capacitancia, que se utiliza en el perfilado de voltaje de capacitancia . Al analizar la velocidad a la que la capacitancia responde a los cambios de voltaje, es posible obtener información sobre dopantes y otros defectos, una técnica conocida como espectroscopia transitoria de nivel profundo .

Ver también

Referencias

^ Tung, Raymond T. (2014). "La física y química de la altura de la barrera Schottky". Revisiones de Física Aplicada . 1 (1): 011304. Código bibliográfico : 2014ApPRv...1a1304T. doi : 10.1063/1.4858400 . ISSN 1931-9401.
^ Tutorial de barrera Schottky. Véase también unión metal-semiconductor .
^ Müller, Richard S.; Kamins, Theodore I. (2003). Electrónica de dispositivos para dispositivos integrados (3ª ed.). Wiley. pag. 170.ISBN 9780471428770.
^ Sze, SM Ng, Kwok K. (2007). Física de dispositivos semiconductores. John Wiley e hijos. pag. 135.ISBN 978-0-471-14323-9. OCLC 488586029.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ "Correlaciones y sistemática de la altura de la barrera".
↑ Esta interpretación se debe a Hans Bethe , tras la teoría incorrecta de Schottky, véase Sah, Chih-Tang (1991). Fundamentos de la electrónica de estado sólido . Científico mundial. ISBN 978-9810206376.
^ Balcanski, M.; Wallis, RF (2000). Física y aplicaciones de semiconductores . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0198517405.
^ Scharfetter, DL (1965). "Inyección de portadores minoritarios y almacenamiento de carga en diodos de barrera Schottky epitaxiales". Electrónica de estado sólido . 8 (3): 299–311. Código Bib : 1965SSEle...8..299S. doi :10.1016/0038-1101(65)90146-2.